鋁合金盒體柔性夾具結構設計研究

（天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384）

0 引言

近年來，隨著我國航空航天技術的快速發展，對航天類零部件的需求量日益增長。鋁合金結構件越來越呈現薄壁曲面、變厚度和整體結構的趨勢，進一步提高了航空航天飛行器的性能[1]。航空產品的品種多，焊接精度要求高，生產批量小是其最大的特點。現在工廠加工小批量，多種類的焊接件都是通過人工夾緊定位進行的焊接。這樣加工的產品不僅效率低，精度低也難以保證。專用夾具數量繁多，適用范圍窄，缺乏計算機輔助夾具拼裝系統和夾具生產流程管理系統。夾具的自動化，柔性化程度低。以上這些缺點都限制了夾具的發展和工廠的生產效率。在這樣的前提下，夾具柔性策略應用而生[2]。

鋁合金盒體作為航空電子元器件的承載保護體，尺寸繁多，材料厚度有0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm等，最大不超過2mm，以及鋁盒的長寬高，每類的規格高達十幾種，加工焊接較為困難。設計出一種新型的整體加工方案是十分有必要的。自動化和柔性化是現代制造加工業的發展趨勢，為了解決企業面臨的多種類小批量生產難題，本文提出了一種解決方案。通過對夾具結構的優化創新設計，使其更加自動化，柔性化，在一定尺寸區間內的盒體焊接都能自適應完成加工，因而提高企業效率，加快企業發展。

1 夾具理論及設計方案

1.1 柔性工裝

柔性工裝是基于產品數字量尺寸協調體系，采用可重組模塊化結構的工裝，自動化程度高，柔性工裝系統目的是降低工裝制造成本，縮短工裝準備周期，同時大幅度提高生產率。近年來，在制造業各個領域中，柔性工裝夾具的應用日益廣泛，主要由于柔性中小批量生產模式越來越得到普及，這就要求工裝夾具要盡可能具備一定的柔性，從而在保證質量的前提下方便快速地適應產品和生產工藝的調整。柔性工裝結構是由標準件、基礎件、合件、功能組件、單元模塊等按照特定功能拼裝而成，能夠滿足工藝要求，并能快速拆分重組[3]。

1.2 計算機輔助夾具設計——CAFD

計算機輔助夾具設計（Computer Aided Fixture Design）——CAFD始于20世紀70年代，在發展的過程中，新技術和新方法陸續被采用，如成組技術、特征建模、專家系統、虛擬現實技術、基于實例的推理（Casebased Reasoning，CBR）等[4]。CAFD大致分四個步驟：安裝規劃、夾具設計、結構設計、性能評估[5]。

在組合夾具系統中，利用模塊化、標準化夾具元件及其功能部件，簡化設計和快速制造，已成為夾具產品開發的基點。模塊化、組合化的設計能夠擴大夾具元件的使用功能和應用范圍，獲得事半功倍的效果，是實現夾具制造 “短、平、快、廉”的重要手段[6]。

1.3 設計方案

焊接位置分為平焊，橫焊，仰焊，立焊四種，其中“平焊”位置最好，焊縫傾角0°～5°，焊縫轉角85°～95°，所以在設計時要達到平焊的各項要求，為此設計以下方案。

圖1 無蓋鋁盒

焊槍由焊接機械手夾持，座式變位機固定在焊接架上。由于工件是沖壓折彎成型，必然會存在回彈，因此邊角焊縫的控制是提高焊接精度的關鍵因素之一。針對這一情況，本方案設計了定位夾緊。因為被加工件是無蓋矩形盒體，其外部通過絲杠滑塊來定位，內部通過電動推桿夾緊，使得焊縫控制在焊接有效區間內。為了保證焊接質量，焊縫處于平焊位置時焊接質量容易控制，且焊接效果最好。因此，每焊完一條棱邊，就通過變位機旋轉90°，使下一條棱邊處于平焊位置。變位機與絲杠夾緊裝置相連且同軸度，旋轉時需要絲杠使工件定位。為了使工件定位夾緊準確，在邊角模具上安裝壓力傳感器和紅外測距傳感器，對工件進行實時位置反饋。夾緊通過PLC控制焊接機械手，變位裝置以及夾緊裝置，使得加工配合精確無誤。

1.4 加工流程

鋁材的選擇尤為重要，直接影響工件的成形質量。需要通過選擇不同的航空鋁材進行試驗，最終篩選出合適的板材。

圖2 加工流程

將選定的板材裁剪成所需的尺寸，對裁剪后的毛坯件進行毛刺的打磨。達到標準后的毛坯件放在柔性沖壓機上進行折彎，折彎會使得工件發生一定程度的變形，還會有回彈，會對焊縫的控制提高難度，對接下來的焊接產生影響。折彎工序的精度需要嚴格控制。夾緊的方式與焊縫大小以及焊接精度都有密切聯系，文章會進一步分析這兩種夾緊方式的利弊，以及各自適應的工況。

2 柔性夾緊機構設計

2.1 結構及功能介紹

根據盒體焊接夾緊的兩種方式，分別設計了相應的柔性夾緊平臺來滿足其工藝要求。

圖3 夾緊方式

2.1.1 井字式滑臺

圖4 井字式夾緊機構

圖5 井字式結構圖

對于無蓋薄板鋁盒的焊接，對焊縫的控制直接影響后續的焊接精度。根據方案的研究，設計出了一種直接對鋁盒四個棱角定位的柔性夾緊機構。具體參數如下：單軸心導軌總長500mm，有效行程320mm；滑槽長200mm，有效行程150mm；夾緊構件支撐面120×115，適應最低鋁盒高度25mm。由于是棱角夾緊，計算夾緊范圍應按頂角計算。通過計算測量其理論最小夾緊鋁盒的長寬為310×220，最大為580×500，區間遞進精度控制在1mm以內，即在該區間內的鋁盒尺寸，長寬增量大于1mm都可以實現夾緊。該結構的優點是對于回彈較大的鋁盒可以通過棱角夾緊來補償修正，穩定焊縫；缺點是行程受限制較大，電機較多，結構較復雜，若鋁盒超出范圍無法進行夾緊。

定位部分采用絲杠滑臺的形式進行精確定位，夾緊部分通過氣缸機構進行推力夾緊。縱向滑臺分別由兩個伺服電機控制，橫向滑臺由兩個雙向異旋伺服電機控制。夾緊構件單元裝有壓力傳感器和紅外測距傳感器，通過初定位后傳感器將反饋信息傳給控制器（PLC或微機），再進行夾緊補償，實現閉環控制。

2.1.2 十字式滑臺

圖6 十字式夾緊機構

十字式機構滑槽長210mm，有效行程135mm；滑塊長寬位111×65，要求鋁盒最低深度25mm。通過計算測量該結構的理論最小夾緊尺寸為100×100，最大370×370。區間遞進精度控制在1mm以內，即在該區間內的鋁盒尺寸，長寬增量大于1mm都可以實現夾緊。該結構的優點是簡單易控制，僅需兩個雙向異旋絲杠電機；缺點是對焊縫的控制不如井字式。定位仍采用絲杠滑臺，夾緊通過氣缸推力夾緊。控制方式如十字式。

2.1.3 方案對比

表1 夾緊尺寸

通過對比可知井字式結構更加柔性，由于鋁盒是折彎件，回彈不穩定，對棱角焊接和焊縫的控制，井字式結構更加精確合理，缺點是不能夾緊較小尺寸的盒體。十字式夾緊結構簡單，響應快速，能夠夾持較小尺寸的盒體，最大缺點是不能對棱角夾緊，影響焊接質量。綜上選取井字式棱角夾緊方案。

2.2 夾緊單元優化

針對井字式結構的缺點，將夾緊單元進行結構優化。電動推桿在滑塊面上會影響邊角壓緊，因此將電機豎直安裝在支座側壁。如此，增加了有效行程，對于小尺寸鋁盒有了較好的適應性。

表2 優化后尺寸

圖7 夾緊單元

圖8 鋁盒夾緊

2.3 材料選取

該柔性夾緊平臺主要面向鋁合金盒體，且工件厚度，硬度都不高，所以在選材方面對材料沒有特殊要求。轉盤用304不銹鋼，直線導軌滑槽和軸心由于磨損較多，采用高碳鍍鉻軸承鋼（GCr15），滑塊用鉻鉬合金鋼，氣缸部分用鋁合金材質。滾珠絲杠采用GCr15SiMn軸承鋼，加入Si和Mn元素后，材質的硬度、強度、韌性和塑性等力學性能都有提高[7]。

3 仿真分析

3.1 靜力學分析

鋁盒是通過沖壓折彎成形，會存在一定程度的回彈，而夾緊焊接會把回彈控制，對鋁板側邊施加擠壓力。通過研究夾緊力的大小以及側邊的受力變形，可以選擇出最佳的電動推桿。

將鋁盒夾緊模型簡化后導入ANSYS Workbench中，回彈角度設置為3°，即將鋁板側面進行3°的強制位移壓緊。通過后處理得出所需的最大壓緊力。

圖9 變形云圖

表3 邊角受力

由表3可知，每個棱角的受力情況。其中最大為44.9N。選擇電機時可按50N的推力為參考篩選型號。

3.2 動力學分析

由于井字式夾緊結構目標是矩形鋁盒夾緊，且結構較為規則，所以只對其中的一個夾緊單元進行多體動力學仿真。

3.2.1 ADAMS分析

隨著時代的進步，虛擬樣機技術被廣泛的應用于工程設計開發等領域。ADAMS作為虛擬樣機技術平臺的杰出代表，已經成為縮短產品開發周期，降低成本，提高產品質量的有效工具[8]。

對碰撞的描述有兩種：經典碰撞模型和接觸碰撞模型。剛體碰撞屬于經典碰撞，不發生接觸變形，求解時可求得廣義速度增量和碰撞沖量，從而獲得碰撞后的初始狀態。該模型的缺點是不能給出碰撞時間，無法計算碰撞時的沖擊力，所以在本次仿真時，需要在原模型處復制一個無質量的構件[9]，與原模型采用鎖定約束，再用無質量體與碰撞體進行接觸約束。碰撞時產生的沖擊力傳遞給鎖定約束且無損耗，這樣可以通過測量鎖定約束的力來得出碰撞沖擊力。

3.2.2 動力學仿真

將CAD模型導入ADAMS軟件中，設定單位為mm，Kg，N，S，重力設為9.8m/s2。初步設置整個夾緊過程在4S內完成，先進行滑枕的橫向移動，接近結束行程時進行滑塊的縱向移動，最后氣缸夾緊。驅動電機額定轉速選擇1200RPM和1000RPM，軸徑6mm和8mm的絲導程選1mm，軸徑為12mm的絲杠導程選3mm。驅動函數選擇STEP(x,x0,h0,x1,h1)。結束時間設置為4s，步長為1000。然后設置傳感器，本次仿真按最大鋁盒行程計算，當滑塊縱向行駛至最大行程結束。

圖10 速度曲線

圖11 加速度曲線

如圖10所示，圖中表示兩個電機驅動的滑塊速度變化曲線。大電機推動滑枕，由于負載大，且滑枕上裝有滑槽，所以速度變化較滑槽小電機平緩。整個過程3秒完成，滑枕先移動，在1.5秒時滑槽絲杠轉動。滑塊先加速達到最大速度后馬上減速，圖11表示其加速度變化曲線。在開始移動和停止時，變化較大，但在合理范圍內，對零件沖擊影響較小。

4 結束語

文章設計的柔性焊接夾緊機構，適用于規則盒體的柔性焊接，根據企業的實際情況設計了兩種結構來解決現存的問題。配合自動焊接機械手，生產精度和效率將會大大提高。通過與企業的合作，以及對柔性焊接夾緊結構的設計和虛擬樣機的仿真，加深了相關知識的理解

【】【】和應用，經過理論和實際驗證，柔性焊接有很大的發展空間。

[1]王細洋.飛機結構件機械加工柔性夾具系統[J].航空制造技術,2012,(17):45-49.

[2]于建華,陳志同.雙臂自適應夾具加工變形控制方法[J].航空學報,2016,(05):1657-1665.

[3]田川,任工昌,王晨,李愿望.夾具及其設計概述[J].機床與液壓,2016,(11):160-162,167.

[4]梁建光,孔嘯,殷莉,李銘.薄壁鋁合金檢具加工柔性工裝夾具的設計[J].制造業自動化,2012,(21):108-110,135.

[5]Hui Li,Weifang Chen,Shengjie Shi. Design and Application of Flexible Fixture[J].Procedia CIRP,2016,56:

[6]Pan Zeng,Li Ping Lei,Le Mei. Experiments and Numerical Simulations on Laser Welding Deformation of Thin Plate Considering Constraint Clamp[J].Advanced Materials Research,2013,2200(631).

[7]陳曉梅.數控加工組合夾具仿真設計應用研究[J].電子機械工程,2013,(03):41-43.

[8]王永強.滾珠絲杠進給系統自適應建模理論與方法研究[D].山東大學,2013.

[9]許海濤,顧文斌,王強.基于ANSYS Workbench的保持架柔性夾具的低速碰撞仿真[J].機械設計與制造工程,2015,(07):7-10.